Opracowanie PDF

Zespół Szkół Mechanicznych
Elektrycznych i Elektronicznych
w Toruniu
Kondensatory
Autor: Jakub Ciepliński Ih
2010 / 2011
Kondensator jest to układ dwóch przewodników
przedzielonych dielektrykiem, na których zgromadzone są
ładunki elektryczne jednakowej wartości
wartośści ale przeciwnych
znakach. Na schematach układów elektrycznych i
elektronicznych kondensatory oznacza sięę nastę
następującymi
ę ą
symbolami:
•
zwykły kondensator niespolaryzowany
•
kondensator spolaryzowany (elektrolityczny)
•
kondensator zmienny, strojeniowy
Wzory
Pojemność kondensatora:
‫=ܥ‬
ܳ
ܷ
Q – ładunek zgromadzony na jednej okładce,
U – napięcie elektryczne między okładkami.
Natężenie pola elektrycznego:
‫=ܧ‬
߂ܸ
݀
d – odległość płyt kondensatora.
∆V – różnica potencjałów płyt kondensatora,
Przenikalność elektryczna względna:
ߝ = ߝ଴ ∙ ߝ௥
εr - względna przenikalność elektryczna.
ε0 - przenikalność elektryczna próżni
Impedancja kondensatora w postaci zespolonej:
ܼ=
1
−݆
−݆
=
=
݆߱‫ ܥ߱ ܥ‬2ߨ݂‫ܥ‬
ω – częstotliwość,
f – częstotliwość w hercach,
j – jednostka urojona
Energia zmagazynowana w kondensatorze:
‫ݍ‬
1 ܳଶ 1
= ‫ܷ ∙ ܥ‬஼ଶ
ܹ = න ݀‫∙ = ݍ‬
2 ‫ܥ‬
2
଴ ‫ܥ‬
ொ
Q – ładunek
Jednostki
Jednostką pojemności jest farad, który ma wymiar.
Pojemność 1 farada posiada kondensator, w którym ładunek
1 Coulomba powoduje powstanie napięcia 1 volta.
1‫ ܥ‬1‫ ∙ ܣ‬1‫ݏ‬
‫ܣ‬ଶ ∙ ‫ ݏ‬ସ
1‫= ܨ‬
=
= 1ܵ ∙ 1‫ = ݏ‬1
1ܸ
1ܸ
݇݃ ∙ ݉ଶ
Jeden farad to bardzo duża jednostka, dlatego w praktyce
spotyka się kondensatory o pojemnościach piko-, nano-,
mikro- i milifaradów. Jednostka została nazwana na cześć
dziewiętnastowiecznego fizyka i chemika angielskiego
Michaela Faradaya.
Budowa
Najprostsze kondensatory zbudowane są z
dwóch płytek metalowych, między
którymi znajduje się np. powietrze,
materiał ceramiczny, papier
impregnowany dielektrykiem. Płytki te
nazywa się okładkami kondensatora.
Budowa kondensatora zmiennego:
•
•
stator – elektroda lub zespół
elektrod (płytek) stałych,
rotor – elektroda lub zespół
elektrod (płytek) ruchomych,
najczęściej elektrycznie
połączonych z obudową
kondensatora.
Płytki statora i rotora mogą być
wykonane z aluminium lub miedzi i jej
stopów. Płytki obu podzespołów wchodzą między siebie, nie mogą się
jednak dotykać (zwierać), dlatego rozdzielone są warstwą dielektryka.
Historia
Odkrycie kondensatora przypisuje się Pieterowi (Petrus) van
Musschenbroekowi w styczniu 1746 roku w Lejdzie (Holandia).
Nastąpiło ono przypadkiem, gdy podczas ładowania elektrycznego
wody Musschenbroek trzymając mokrą butelkę ręką otrzymał bardzo
mocne uderzenie (porażenie przeskokiem iskry elektrycznej). Nazwa
przyrządu "butelka lejdejska" pochodzi od miejscowości, w której
Musschenbroek wykładał i wykonywał swoje eksperymenty przez
całe życie. Pierwotnie było to naczynie ze szkła wypełnione wodą i
zatkane korkiem, który był przebity na wylot miedzianym drutem.
Wiadomość o butelce lejdejskiej szybko rozeszła się i zwróciła uwagę
na siebie innych fizyków. W 1749 roku Anglik Watson okleił naczynie
szklane folią cynkową (z wyjątkiem wąskiego paska przy brzegach) od
wewnątrz i z zewnątrz i w ten sposób butelka lejdejska przybrała
postać podobną do obecnej. Służy ona do wytwarzania intensywnych
iskier, między innymi w połączeniu z maszyną elektrostatyczną.
Nieco wcześniej, bo w jesienią 1745 roku podobne doświadczenie
wykonał niemiecki duchowny Kleist zamieszkały w Kamieniu
Pomorskim, ale jego doświadczenie miało mały rozdźwięk i na ogół
nie jest wymieniany, jako odkrywca kondenasatora. Próbował on
naelektryzować gwóźdź tkwiący wewnątrz nieco wilgotnej szklanej
kolby, którą przytrzymał drugą ręką. W trakcie doświadczenia odczuł
nagle silny wstrząs. Skóra ręki na zewnątrz kolby i warstewka
wilgotnej wewnątrz niej utworzyły, bowiem dwie przewodzące
warstwy, przedzielone izolatorem (szkłem).
Rodzaje kondensatorów
•
•
•
•
•
•
•
kondensatory elektrolityczne,
kondensatory poliestrowe,
kondensatory polipropylenowe,
kondensatory
nsatory ceramiczne,
kondensatory tantalowe,
kondensatory monolityczne,
kondensatory ceramiczne.
Porównanie typów kondensatorów
Poniższy
ższy wykres prezentuje zakresy pojemnoś
pojemności
produkowanych kondensatorów:
Zastosowanie
Oznaczenia
Wartość pojemności i dopuszczalnego napięcia pracy jest oznakowana
na każdym kondensatorze bądź w postaci
opisu cyfrowego bądź też za pomocą kodu
paskowego. W pierwszym przypadku stosuje
się nadruk liczbowy wraz z jednostkami, np.
10µm /16 V. Zwykle w oznaczeniu jednostki
pomija się literę F. W drugim przypadku
stosuję się kod paskowy naniesiony na
kondensatorze . Kondensator może być
oznaczony trzema, czterema lub pięcioma paskami.
Super kondensatory
Superkondensator jest rodzajem kondensatora
elektrolitycznego, który z uwagi na sposób konstrukcji
wykazuje niezwykle dużą pojemność elektryczną (rzędu kilku
tysięcy faradów).Największą zaletą superkondensatorów jest
bardzo krótki czas ładowania w porównaniu z innymi
urządzeniami do przechowywania energii (np.
akumulatorami). Dlatego też, superkondensatory są coraz
częściej stosowane równolegle z innymi źródłami energii, np.
ogniwami paliwowymi, w celu krótkotrwałego dostarczania
mocy szczytowej, co pozwala na znaczne zmniejszenie
rozmiarów całego układu. Próby z takimi rozwiązaniami są
przeprowadzane m.in. w prototypach samochodów
hybrydowych lub do wspomagania zasilania robotów.
Bibliografia
• Cykl artykułów Piotra Góreckiego z numerów 3 - 7
(1996) czasopisma Elektronika dla Wszystkich
• www.wikipedia.org
• www.iwiedza.net
• www.elstore.pl
• www.fizyka.org